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理大机械工程系研发崭新充电纳米纤维,有效过滤空气污染微粒及病毒
发布时间:2019-04-08 11:36:55 | 浏览次数:


香港理工大学(理大)机械工程学系新近研发了一种带有静电的纳米纤维(nanofiber)过滤材料,并采用多重隔离层设计,能吸附直径小于100纳米(nanometer / nm)的污染微粒(复盖空气中最常见的纳米微粒及病毒)。这种崭新材料比现有的过滤材料表现优胜,包括透气度、过滤效率(比现有带有静电的微纤维(microfiber)口罩高10%),以及耐用程度(静电可维持多达90天)。


 


直径在100纳米及以下的纳米微粒在城巿中无处不在,由于它们细小,容易被人体吸入。大部份以空气传播的可致命病毒,例如流感、猪流感或沙士等,其大小均在100纳米左右。科学家面对的挑战,便是研发出易于应用兼且能有效吸附纳米微粒的空气过滤材料或口罩,保障大众免因吸入空气中的污染微粒和病毒而致病。

 

理大创新产品与科技讲座教授梁焕方教授领导的研究团队,经测试后采用聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride / PVDF)制成纳米纤维过滤材料,PVDF是一种半结晶热塑性塑料,常用作电线的绝缘体。研究团队用电晕放电技术(Corona Discharge / 最常见的一种气体放电形式),把静电加在PVDF纳米纤维,使其能在近距离与微粒产生电荷相互作用,从而有效吸附微粒。

 

现时巿面上只有带电荷的微纤维或没有带电荷的过滤材料,对比这些产品,理大研发的创新过滤材料有更高的过滤效率,经使用多时仍能维持较低压力降(pressure drop / 压力降数值愈高,代表过滤材料面对气流阻力愈高、透气度愈低,导致口罩使用者较难呼吸,或者室内过滤器的流速减低)。测试证实,理大的技术能稳定而持久地将电荷加入PVDF纳米纤维,静电可维持达三个月,此前文献纪录的其他纳米纤维,附加的电荷通常一天内便会消散。

 

带电荷的PVDF纳米纤维

理大团队使用各种大小的微粒作过滤测试,带电荷PVDF纳米纤维材料过滤100纳米微粒的效率为54%(即空气经过滤后,直径为100纳米的微粒有54%被吸附),没有带电荷的PVDF纳米纤维材料为17%;前者的压力降亦只有5Pa(Pascal /压力单位)。带电荷PVDF纳米纤维材料的「品质因素」,亦比没有带电荷者高2.7倍 (「品质因素」quality factor 即过滤效率(效益)与压力降(成本)的比率,数值愈高代表表现(平衡过滤及透气因素)愈佳)。

梁教授表示,病毒通常带有负静电荷,容易被带正静电荷的PVDF纳米纤维吸附,效果十分显着。「传染病爆发时,采用这创新科技制成的过滤器或口罩,防御病毒效果会很理想。」


 

创新的多重静电隔离层

为进一步加强过滤材料静电吸附的效能,研究团队研发了多重静电隔离层——将用来制造单层过滤材料的PVDF纳米纤维,分散放在多层过滤材料,而且每层均设一重隔离层,以减少邻近纤维层之间的静电干扰,整体静电因而增加,令过滤效率同时提升。

 

测试显示,带有电荷的多重隔离层过滤材料(以二、三、四层作测试)的过滤效率,比带电荷但没有分层的过滤材料高39%至45%。带有电荷的多重隔离层过滤材料,其品质因素也比没有分层的高2至3.5倍。

 

稳定性和持久力

过滤媒介的电荷及其相关的静电效应会随时间而消散。过滤持久力测试证实,理大创新的带静电、有多重隔离层的纳米纤维过滤材料能长时间维持高效能,因而更为耐用、储存时间更长。

研究人员在相对湿度80%的潮湿环境下(香港每年平均湿度为77%),测试有四重带静电隔离层的过滤材料(每平方米有1.75克纤维),结果显示,15天后过滤效率仅略为下降,90天后亦仅下降1%。

 

应用潜力

理大研发的带静电PVDF纳米纤维在空气过滤范畴 — 不论是工业、个人或家居 — 应用可以很广泛。工业应用包括无尘室、化石燃料发电站等,亦可用于减少车辆和船只排放的微粒;个人及家居则可应用于口罩、空气清新机、吸尘机、窗户过滤网等。

 

这项崭新技术更可应用于蛋白质转渍法(Western Blot),这是一种广泛用来检测或提取蛋白质的分析技术,过程中,通常使用PVDF薄膜来转移在原有样本中分离出来的蛋白质。理大的技术能大大增强纳米纤维垫吸附蛋白质的静电力,又不会影响蛋白质的组织,保持其完整。

 

此技术还可以应用于有效地释放蛋白质类药物。带静电的PVDF纳米纤维垫可吸附粉末状的药物(如哮喘药),让病人更易吸入、药物更有效释放;这技术同样适用于需涂在局部皮肤的药物。

 

 
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